Cependant, à mesure que les performances intrinsèques des puces SiC approchent de leur limite théorique, les efforts d'amélioration se concentrent sur un autre composant du module, historiquement moins prisé : le boîtier.
Ce dernier n'est pas un simple contenant. Il assure la connexion électrique des puces sur le substrat isolant, constitue le circuit interne et les protège des vibrations mécaniques et des contaminants environnementaux. Or, c'est précisément cette structure qui est une source importante d'inductance parasite, de pertes supplémentaires et de limitations de durée de vie dues à la fatigue thermomécanique. Pour optimiser les performances des puces SiC, il est nécessaire de disposer de boîtiers plus compacts et présentant des pertes de puissance réduites.
La solution : une interconnexion tridimensionnelle par circuit imprimé et broches conductrices.
Fuji Electric a développé une structure de câblage tridimensionnelle (3D) comme nouvelle technologie d’encapsulation, visant à miniaturiser les modules de semi-conducteurs de puissance SiC et à réduire les pertes de puissance.
Le progrès conceptuel par rapport aux conceptions conventionnelles est considérable. Traditionnellement, des fils et des clips étaient utilisés pour connecter les puces sur le substrat isolant. Dans la nouvelle structure, ce câblage est remplacé par un circuit imprimé (PCB), connecté en trois dimensions par des broches conductrices serties dans le circuit.
L’utilisation d’un PCB comme élément d’interconnexion interne est loin d’être anodine. Comparé aux fils d’aluminium ou aux clips en cuivre qui ont dominé l’encapsulation de puissance pendant des décennies, un PCB permet de définir les chemins de courant avec une précision géométrique bien supérieure, de redistribuer le courant plus uniformément entre les puces parallèles et de réduire la longueur effective des boucles de courant générant une inductance parasite. La connexion par broches conductrices serties – au lieu de soudure – offre un avantage supplémentaire en termes de reproductibilité du processus de fabrication et de contrôle de la déformation thermomécanique.
Résultats quantifiés : trois améliorations simultanées
- Réduction du volume : -50 %
La nouvelle structure a permis de réduire le volume du produit d'environ 50 % par rapport au produit conventionnel. Pour le système de propulsion d'un véhicule électrique, où l'onduleur partage l'espace avec la batterie, le moteur et les systèmes de refroidissement, une telle réduction de volume du module semi-conducteur a des implications directes sur la conception mécanique du groupe motopropulseur et la possibilité d'agrandir l'habitacle.
- Réduction de l'inductance parasite : -70 % → pertes de commutation -50 %
L'optimisation du chemin du courant grâce à la structure de câblage 3D a permis de réduire l'inductance parasite du circuit interne d'environ 70 % par rapport au produit conventionnel, ce qui entraîne une réduction des pertes de commutation d'environ 50 %.
Ce résultat mérite une analyse plus approfondie. L'inductance parasite dans la boucle de commutation d'un module MOSFET de puissance est directement responsable de la surtension qui se produit à l'arrêt. Plus l'inductance de la boucle est élevée, plus le pic de tension est important et plus la marge de tension requise pour la puce est grande, ce qui pénalise à la fois le choix des composants et la fréquence de commutation maximale admissible. La réduction de 70 % de l'inductance parasite permet une commutation plus rapide de la puce avec une surtension moindre, optimisant ainsi l'utilisation de la capacité intrinsèque du SiC et réduisant les pertes à chaque cycle de commutation.
– Durée de vie de la jonction : multipliée par 5.
La structure de connexion des broches conductrices réduit la surface de jonction de la puce par rapport à une solution conventionnelle et, en atténuant les contraintes générées par la déformation thermique au niveau de cette jonction, sa durée de vie est multipliée par cinq environ. La
fatigue des joints de soudure est le principal mécanisme de dégradation des modules de puissance dans les applications de traction, où les cycles thermiques sont continus et de forte amplitude. Le fait que la nouvelle géométrie des broches conductrices – en réduisant la surface de contact et en redistribuant mieux les contraintes mécaniques – multiplie par cinq la durée de vie du joint représente un progrès considérable en matière de fiabilité du module, avec un impact direct sur les intervalles de maintenance et le taux de défaillance sur le terrain.
Contexte : La course à l’autonomie des véhicules électriques.
Avec la transition à moyen et long terme vers la décarbonation, les véhicules électrifiés devraient se généraliser. Leur groupe motopropulseur se compose d’un moteur et d’un onduleur, qui puise l’énergie de la batterie pour alimenter le moteur. Pour relever les défis liés à l’amélioration de l’autonomie et à l’augmentation de l’espace intérieur, il est nécessaire de miniaturiser le groupe motopropulseur électrifié et d’améliorer son rendement.
La relation entre les pertes de l’onduleur et l’autonomie du véhicule est directe : chaque watt perdu dans le module semi-conducteur représente de l’énergie qui n’atteint pas la roue. À la puissance typique d’un onduleur de traction (de l’ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilowatts), une réduction de 50 % des pertes de commutation se traduit par une amélioration significative du rendement global du système et, par conséquent, par une augmentation du nombre de kilomètres parcourus par charge.
Feuille de route de commercialisation
Cette technologie sera appliquée aux modules de semi-conducteurs de puissance de l'entreprise tout au long de l'exercice 2026. Fuji Electric possède une longue expérience dans le développement et la fabrication de modules IGBT et SiC pour la traction, avec une présence à la fois chez les constructeurs automobiles et les fournisseurs de systèmes de propulsion de rang 1.
Conclusion :
La structure de câblage 3D développée par Fuji Electric représente une avancée significative, non seulement grâce aux performances numériques qu’elle atteint (volume réduit de moitié, inductance parasite diminuée de 70 %, pertes de commutation divisées par deux et durée de vie des jonctions multipliée par cinq), mais aussi grâce à la cohérence de la solution : un seul choix de conception au niveau du boîtier permet d’améliorer simultanément la densité de puissance, le rendement et la fiabilité, trois paramètres déterminants pour la compétitivité d’un module SiC dans les applications de traction. Avec sa mise en œuvre prévue en 2026, l’industrie du véhicule électrique disposera de modules offrant un rapport performance/volume nettement supérieur à celui de la génération actuelle.
